1.6 仿真的開發過程

仿真不是單純的數值計算。采用計算機仿真方法解決實際問題，要從對問題的分析和描述出發，通過建模、試驗、分析等一系列步驟，直至得到問題的解決方案。如果得到的解答不完備或不正確，還要對仿真中間的某些環節進行必要的調整或修正。仿真研究的基本步驟如圖1.2所示，各步驟之間的有些內容可能會有交叉、迭代。

1．問題定義

顯然，如果仿真需要解決的問題定義不準確或具有模糊性，將會使后續的研究方向發生偏差，因此，明確需要通過仿真解決的問題，是仿真研究能否成功的關鍵。這里問題定義要求通過正式的語言進行描述。一般仿真需要研究的問題由決策人員或分析人員提出。如果決策人員提出的研究問題帶有模糊性，就必須對問題陳述進行整理和分析，以保證問題定義不具有二義性；如果問題定義由分析人員提出，則提出的問題必須能夠為決策人員所理解。也有可能隨著仿真過程的開展，決策人員和分析人員才能理解問題的本質，并需要重新對問題進行定義和調整。

2．需求分析

在明確需要通過仿真解決的問題之后，確立仿真研究的目標和要求，考察采用仿真方法是否可以解決該問題。分析仿真對象系統的構成、邊界和環境，辨識系統的實體、屬性、狀態和行為，明確用于系統性能評價和方案優選的定量指標。形成建模的前提約定和假設條件，明確模型的層次類型、詳盡程度、精度指標和適用范圍，明確建模的數據需求和數據來源。撰寫涵蓋以上內容的仿真項目需求分析報告，并制訂包括任務分工、資源投入和結點目標的項目實施計劃。這一階段的工作，很多內容都需要建模仿真人員和仿真用戶或任務委托方進行充分的協商和深入的討論。

3．模型設計

仿真模型設計需要針對研究目標和需求，按照合理簡化的原則，與模型用戶或仿真用戶緊密協作，對仿真對象系統進行分解、抽象和簡化，采用適當的建模方法，采取數學公式、邏輯流圖等形式，對系統的功能、結構和特性進行描述，建立系統的理論模型。設計仿真軟件結構、功能和接口，選擇編制模型的程序設計語言和開發環境，將理論模型轉換為能在計算機上實現的最佳形式。

4．數據準備

隨著模型復雜度的變化，仿真需要的數據元素也會發生變化，因此數據準備過程與模型設計過程密切相關。另外，數據準備過程一般也會耗費整個仿真研究的很大一部分時間，所以應盡早與模型設計過程一起開展仿真數據的準備工作。數據準備需要收集模型運行所需的各種數據，包括模型輸入數據和仿真驗證數據；對數據進行必要的清理，保證數據的完備性和準確性；對數據進行適當的處理，使數據具有模型所要求的形式。有時數據也需要從實際系統中適時獲取。

5．仿真開發

模型設計產生的模型僅是一種數學模型或理論模型，需要將其轉換為可在計算機上執行的計算機程序或軟件才能支持仿真試驗，而且許多仿真模型的計算需要大量的信息存儲和計算資源。一般仿真開發需要確立仿真體系結構，準備必要的硬件設備和軟件開發工具，建立模型生成、模型組合、模型解算、運行控制、試驗設計、數據統計、指標評估、圖形顯示等仿真支持系統，形成完備的計算機仿真開發環境。

6．模型確認與驗證

仿真模型驗證是一個過程，它確定模型的計算機實現是否準確地表示了模型開發者對實際系統的概念表達和描述。該過程需要回答仿真模型對應的計算機程序是否運行正確。對于復雜的仿真模型，不進行良好的仿真模型測試、跟蹤和調試將很難將其轉換為正確的仿真模型程序或軟件。如果模型的輸入參數和邏輯結構在計算機實現進行了正確的表示，就完成了仿真模型驗證過程。仿真模型確認也是一個過程，它從預期應用的角度，結合用戶使用需求和領域專家的知識確定了系統的理論模型表達實際系統的準確程度。

7.VV&A

模型確認與驗證工作一般稱為模型的驗證、確認與認定（Verification, Validation and Accreditation）。VV&A工作的目的是評估模型的可信度（Credibility），即用戶對模型的可信任程度。模型可信度是由仿真系統與實際系統之間相似性、仿真系統與仿真目的相適應的程度決定的，VV&A規范是模型可信度一個完整的保證體系，當前針對某些應用的仿真模型確認與驗證，已建立了相關的VV&A的管理流程和技術規范。如果模型的開發過程嚴格遵照VV&A規范執行，就可以將VV&A的認定結論作為模型可信度的評估結論。

8．試驗設計

在計算機上對模型進行試驗，采集數據并進行分析，是計算機仿真的一項重要工作。可以說，仿真試驗的科學性，在很大程度上決定了仿真研究的科學性。仿真試驗是一項很專業的工作。其具體任務主要包括：根據試驗需求所規定的試驗類型與試驗目的，明確試驗所應用的仿真背景、試驗類型與試驗方法，確定試驗因子及其變化規律，建立試驗指標與模型響應的關聯，明確仿真試驗的運行次數，運行結束方式和數據采集方案。

9．運行和分析

運行和分析主要依據試驗方案運行仿真模型，進行仿真試驗并收集仿真模型產生的仿真試驗數據，對試驗數據進行分析和處理。根據試驗方案，在運行仿真模型時可能需要對運行過程施加必要的人工干預和控制。仿真運行和分析還可以利用數據庫、多媒體等技術手段，采集、顯示、存儲和管理仿真結果，對仿真結果進行分析、處理和深度剖析，形成仿真元模型，以支持系統論證、評估、設計、預測、優化、決策等實際應用。

10．文檔和報告

在仿真任務完成后，一般應包含以下文檔：模型、程序、研制過程和試驗分析文檔。程序文檔可以支持不同分析人員進一步使用模型，支持這些分析人員理解模型和程序，另外也有助于進一步修改模型或程序。研制過程文檔隨著仿真研究的開展記錄了仿真開發的整個過程，有助于仿真項目的管理和進度控制，而且通過研制過程文檔可以不斷與用戶進行交互，盡快發現研究可能存在的偏差。試驗分析文檔需要針對研究問題給出研究結論和問題解決方案，有助于進一步的模型使用和試驗分析。